Измерение линейных и угловых скоростей

Скорость можно рассчитать, измерив перемещение и время и зная характер движения. Например, скорость самолета можно определить по расстоянию между метками на экране радиолокатора и секундомеру. Однако нужны и такие приборы, которые непосред­ственно выдают информацию о скорости в любой момент времени.

Прибор, измеряющий линейную скорость, называется спидомет­ром, а прибор, измеряющий угловую ско­рость, – тахометром. Чаще всего при измерении линейной ско­рости линейное движение сначала преобразуют во вращательное (на­пример, привод от колеса в транспорте), а затем уже измеряют тахометром угловую скорость этого вращательного движения. Рас­смотрим вначале конструкции тахометров. Задача тахометра – преобразовать угловую скорость вращения в определенное положе­ние стрелки-указателя относительно циферблата. Простейший тахометр – центробежный (рис. ,14, а). При вращении вала 1 грузы

а б с

Рис. 14. Тахометры: а – центробежный, б – индукционный, в – индукционный тахометр с прямолинейной шкалой

На рис. 14 обозначено: 1 – вал, 2 – грузы, 3 – пружина, 4 – указатель, 5 – немагнитная металлическая чашка, 6 – круглый циферблат, 7 – шкала со щелью.

При вращении вала 1 грузы 2 расходятся под действием центробежной силы инерции , сжи­мая противодействующую пружину 3. Кольцо, охватывающее вра­щающийся хвостовик, также передвигается вдоль оси, перемещая указатель 4 на расстояние L. Таким образом, уравнение шкалы прибора:

где – некоторый коэффициент,k – жесткость пружины, L – сжатие пружины и одновременно показания прибора. Таким образом, шкала нелинейна (L ~). Это недостаток центробежного та­хометра.

Спидометры на транспорте обычно построе­ны по принципу индукционного (магнитного) тахометра (рис. 14, б): на вращающийся вал 1 насажен постоянный магнит, который вра­щается внутри немагнитной (алюминиевой) чашки 5 (картушки), не касаясь ее стенок. Но в этих стенках наводятся индукционные токи, которые в соответствии с правилом Ленца препятствуют вращению магнита. От этого сама чашка в соответствии с третьим законом Ньютона поворачивается, сжимая пружину 3. С осью чашки скреплена стрелка 4. ЭДС по закону Фарадея пропорциональна скорости изменения магнитного потока, а она пропорциональна угловой скорости :

.

С другой стороны, токи в кар­тушке i ~ Е, а сила, действующая со стороны магнита (сила Ампера), пропорциональна маг­нитной индукции магнита В и i:

т. e. L ~ (шкала индукционного тахометра линейна).

В современном приборостроении от круг­лых шкал перешли к прямоугольным. Кар­тушку делают сильно вытянутой, окрашива­ют часть ее, отделенную спиральной границей, в красный цвет и ставят ее за шкалой со щелью 7 (рис. 14, б). Чем больше поворот картушки, тем длиннее красный указатель.

Обычно от того же вала, который идет к спидометру, работает еще и механический счетчик полного числа оборотов (счетчик прой­денного пути), монтируемый обычно вместе со спидометром на авто­мобиле, мотоцикле и т. д. Не всегда удобно протягивать вал от вращающихся деталей к щиту управления. В этих случаях используются дистанционные передачи типа сельсина или тахогенератора (вращающийся от вала постоянный магнит наводит токи в трехполюсном статоре, как в сельсине, кото­рые по трехпроводной линии передаются на щит управления; здесь они направляются в такой же трехполюсный статор, внутри которого от этих токов приходит во вращение короткозамкнутый ротор, как в асинхронном двигателе).

Не всегда допустим механический контакт спидометра с вращаю­щейся деталью. В этих случаях используют бесконтактные тахометры. Если деталь неоднородна, т. е. в ней есть отверстия или зубцы, то они могут прерывать луч света, идущий от осветителя к фотоэлементу. Получается переменный ток, частоту которого измеряют частотомером. Так устроен оптический тахометр. В радиоактивном тахометре вместо луча света используются гамма- или бета-лучи. Еще один бесконтакт­ный тахометр основан на стробоскопическом эффекте. Главной частью стробоскопического тахометра является импульсный генератор пере­менной частоты, от которого питается лампа-вспышка, освещающая вра­щающуюся деталь с какой-либо меткой. При совпадении частоты вспышек и частоты вращения метка кажется остановившейся. Показа­ния снимают со шкалы генератора, указывающей частоту.